Hielscher Ultrasonics
Будем рады обсудить ваш процесс.
Позвоните нам: +49 3328 437-420
Напишите нам: [email protected]

Гибридная ультразвуковая обработка: мано-, термо- и электросоникация

Гибридная ультразвуковая обработка сочетает обработку ультразвуком высокой мощности с контролируемыми давлением, температурой и электрическими полями, расширяя возможности ультразвуковой обработки за пределы традиционных ограничений. Регулируя интенсивность кавитации, кинетику реакций и явления переноса, гибридная ультразвуковая обработка обеспечивает более быструю экстракцию, более мелкодисперсные эмульсии, более интенсивное диспергирование, более высокую электрохимическую эффективность и более надёжное масштабирование до промышленного уровня.

Давление, температура и электрохимические процессы по отдельности изменяют условия возникновения кавитации и схлопывания кавитационных пузырьков, а также переноса энергии и вещества в процессе. Например, маносоникация использует давление выше или ниже давления окружающей среды для управления динамикой пузырьков и энергией их схлопывания. Кроме того, термосоникация сочетает ультразвук с нагревом или охлаждением для управления вязкостью, диффузией и селективностью в процессах от холодной экстракции растворителем до высокотемпературной обработки и обработки расплавов. Наконец, электросоникация объединяет ультразвук с электрохимическими процессами для снижения поляризационных потерь, удаления газовых плёнок и обновления поверхностей катодов и анодов.
Системы Hielscher Ultrasonics поддерживают периодические и проточные конфигурации для каждого гибридного подхода, позволяя масштабировать надёжную интенсификацию процессов от лаборатории до производства.

Гибридная ультразвуковая установка

Гибридная ультразвуковая установка (2000 Вт)

Запросите дополнительную информацию!

Наши технические специалисты будут рады обсудить Ваши требования к процессу и идеи по гибридной ультразвуковой обработке.





Ультразвуковая кавитация

Основной механизм ультразвуковой обработки – акустическая кавитация. Ультразвуковые волны создают в жидкости чередующиеся циклы сжатия и расширения. Во время расширения образуются микроскопические полости, которые растут и резко схлопываются. В результате схлопывания возникают микроструи, ударные волны, высокие градиенты сдвига и интенсивное микроперемешивание. Эти эффекты ускоряют массоперенос, разрушают агломераты, повышают дисперсность эмульсий и интенсифицируют химические и электрохимические реакции без чрезмерного нагрева всего объёма среды.
Hielscher Ultrasonics разрабатывает свои системы для интенсификации процессов. Они обеспечивают регулируемую амплитуду ультразвуковых колебаний, масштабируемую мощность и компоненты реакторов промышленного класса для периодической и проточной ультразвуковой обработки. В свою очередь, гибридная ультразвуковая обработка добавляет контроль давления, управление температурой и электрохимические интерфейсы, расширяя диапазон рабочих условий и стабилизируя результаты при масштабировании.

Мощная ультразвуковая кавитация на Cascatrode Hielscher

Мощная ультразвуковая кавитация

Пневматический пережимной клапан на выходном патрубке проточного ультразвукового реактора

Пневматический пережимной клапан для регулирования давления

Маносоникация (давление + ультразвуковая кавитация)

Маносоникация представляет собой применение ультразвука при контролируемом давлении, которое может быть выше или ниже давления окружающей среды. Давление непосредственно влияет на зарождение и рост кавитационных пузырьков, а также на интенсивность их схлопывания. Поэтому можно поддерживать стабильные режимы кавитации или обеспечивать высокоэнергетическое схлопывание для интенсивного разрушения и быстрой обработки.

Маносоникация под повышенным давлением (выше давления окружающей среды)

Повышенное гидростатическое давление влияет на порог кавитации и стабилизирует кавитационную активность. При схлопывании кавитационных пузырьков интенсивность схлопывания может увеличиваться, создавая более сильные ударные волны и микроструи. Это особенно важно для вязких жидкостей, эмульсий и многофазных систем, в которых амортизирующее действие газа может снижать эффективность ультразвука.
Ультразвуковая обработка под повышенным давлением позволяет получать мелкодисперсные эмульсии, проводить деагломерацию частиц, мокрый помол и высокоэффективное разрушение клеток. Кроме того, в сочетании с умеренным нагревом она может способствовать инактивации микроорганизмов при сохранении более низкой температуры всего объёма среды.

Маносоникация в вакууме и при пониженном давлении (ниже давления окружающей среды)

Работа при давлении ниже давления окружающей среды наиболее эффективна, когда важны дегазация и снижение содержания кислорода. Пониженное давление удаляет растворённый газ и может уменьшать окислительный стресс при ультразвуковой экстракции и ультразвуковом диспергировании. Это помогает защищать чувствительные к кислороду продукты, такие как ароматические вещества, полифенолы, липиды и нутрицевтики.
Поскольку пониженное давление снижает температуры кипения, ультразвуковая обработка в вакууме требует тщательного контроля температуры и парообразования, особенно при использовании летучих растворителей. Однако при подходящей конструкции реактора ультразвуковая обработка при пониженном давлении повышает устойчивость процесса экстракции и стабильность результатов последующих ультразвукового эмульгирования и диспергирования.

Периодическая и проточная маносоникация

Маносоникацию можно проводить в герметичных реакторах периодического действия или в проточных ячейках под повышенным давлением. Периодическая обработка подходит для разработки процессов, специализированного производства и частой смены продукции. Проточная ультразвуковая обработка под повышенным давлением обеспечивает промышленную производительность и стабильное качество продукции благодаря возможности непрерывно контролировать давление, температуру, расход и время пребывания. Ультразвуковые проточные ячейки Hielscher и конфигурации промышленных реакторов поддерживают оба подхода, а масштабируемые ультразвуковые силовые модули позволяют легко увеличивать масштаб за счёт наращивания числа модулей.

Термосоникация (контроль температуры + ультразвуковая обработка)

Термосоникация сочетает ультразвук с контролируемым нагревом или охлаждением. Температура влияет на вязкость, скорость диффузии, давление пара, растворимость газов и кинетику реакций, определяя тем самым поведение кавитации и результаты процесса. В результате можно регулировать интенсивность кавитации, одновременно контролируя селективность, выход и качество продукта.

Низкотемпературная термосоникация (холодная экстракция и криогенная ультразвуковая обработка)

Низкотемпературная ультразвуковая обработка позволяет проводить холодную экстракцию растворителем и защищает молекулы, чувствительные к нагреву и окислению. Ограничивая температуру всего объёма среды, термосоникация уменьшает ферментативную деградацию, окисление и термическое разложение, при этом ультразвуковая кавитация по-прежнему используется для интенсификации перемешивания и разрушения.
Холодная ультразвуковая экстракция подходит для растительного сырья, вкусоароматических веществ, душистых веществ, белков, липидов и биологически активных веществ. Она также подходит для ультразвуковой обработки наноэмульсий и технологических процессов с липосомами, в которых термическая стабильность имеет решающее значение.
Кроме того, ультразвуковую обработку можно проводить в криогенных условиях, в том числе в системах с использованием жидкого азота. Криогенная ультразвуковая обработка применяется в передовых исследованиях и специализированных технологических процессах обработки материалов, таких как цепочки криогенного измельчения и способы диспергирования с контролем морфологии.
Поскольку ультразвук выделяет тепло вследствие рассеяния энергии, низкотемпературная термосоникация требует высокой охлаждающей мощности, реакторов с рубашкой или проточных теплообменников. Ультразвуковые системы Hielscher часто оснащаются контурами регулирования температуры для поддержания стабильных рабочих условий.

Ультразвуковые реакторы с проточными ячейками и рубашкой, рассчитанные на работу под повышенным давлением, для манотермосоникации

Ультразвуковые реакторы с проточными ячейками и рубашкой для термосоникации

Высокотемпературная термосоникация (горячие жидкости, масла и расплавы)

Высокотемпературная ультразвуковая обработка подходит для вязких жидкостей и промышленных реакционных смесей, включая горячие масла, воски, растворы полимеров и системы высокотемпературной экстракции. При повышенных температурах вязкость снижается, а диффузия усиливается, что улучшает перемешивание и массоперенос. Поэтому высокотемпературная ультразвуковая обработка хорошо подходит для диспергирования, смачивания, деагломерации и дегазации.
Ультразвуковую обработку также можно применять в расплавах металлов и солей. В расплавленных металлах ультразвук способствует дегазации, измельчению зерна и распределению легирующих элементов или армирующих компонентов. В расплавленных солях ультразвук интенсифицирует перемешивание и перенос в тепловых солевых системах и электрохимических средах на основе солей. Однако для этих применений требуются специальные сонотроды и материалы реакторов, рассчитанные на агрессивные температурные и химические условия.

Периодическая и проточная термосоникация

Термосоникацию можно реализовать в реакторах периодического действия и проточных системах. Периодическая термосоникация подходит для длительных выдержек, поэтапного изменения температуры и многоступенчатого кондиционирования. Проточная термосоникация обеспечивает непрерывное производство со стабильной плотностью энергии, заданным временем пребывания и воспроизводимой историей изменения температуры. Проточные ультразвуковые реакторы Hielscher часто используются совместно с теплообменниками для точного контроля процесса при масштабировании.

Это маломасштабная установка для соноэлектрохимии периодического действия, в которой используется ультразвуковой аппарат Hielscher UP100H.

Маломасштабная установка для электросоникации

Электросоникация (ультразвуковая обработка + электрохимия)

Электросоникация объединяет ультразвук с электрохимическими системами посредством применения ультразвуковой кавитации и акустических течений вблизи электродов. Эффективность электрохимических процессов часто снижается из-за ограниченного массопереноса, накопления газовых пузырьков и пассивации электродов. Ультразвуковая обработка устраняет эти ограничения, уменьшая толщину диффузионных слоёв, отрывая газовые пузырьки, очищая поверхности электродов и непрерывно обновляя пограничный слой.
Электросоникацию можно реализовать путём подачи ультразвуковой энергии в область рядом с электродами или с помощью интегрированных конструкций реакторов, в которых ультразвуковые компоненты одновременно служат электродами. В результате ускоряется кинетика электрохимических процессов, снижаются поляризационные потери и повышается стабильность работы.

Воздействие электросоникации на катод и анод

На катоде ультразвуковая кавитация усиливает реакции восстановления, ускоряя перенос реагентов к поверхности электрода и предотвращая её покрытие пузырьками водорода. Это повышает равномерность гальванического покрытия, плотность осадка и качество поверхности.
На аноде ультразвуковая обработка способствует реакциям окисления, удаляя пузырьки кислорода и разрушая пассивные поверхностные плёнки. Это улучшает обновление поверхности и позволяет контролировать образование отложений, что крайне важно для электросинтеза и электрохимического разрушения загрязняющих веществ.

Периодическая и проточная электросоникация

Электросоникацию проводят в реакторах периодического действия для исследований и разработок, в гальванических ваннах и для специализированного электросинтеза. Проточная электросоникация подходит для непрерывного электроокисления, глубокой очистки сточных вод, непрерывной финишной обработки поверхностей и промышленных электрохимических систем, в которых стабильная работа зависит от контролируемого времени пребывания и стабильных характеристик электродов. Промышленные ультразвуковые реакторы Hielscher часто интегрируются в такие проточные системы для обеспечения регулируемой интенсивности кавитации на границе раздела между электродом и средой.

Гибридные сочетания: манотермо-, термоэлектро-, маноэлектро- и ультразвуковые системы с полным сочетанием воздействий

Гибридная ультразвуковая обработка даёт наибольший эффект при сочетании давления, контроля температуры и электрохимических процессов. Давление регулирует интенсивность кавитации и характер схлопывания пузырьков, температура регулирует вязкость и кинетику, а электрохимические процессы регулируют перенос заряда на границе раздела фаз. Вместе эти факторы открывают рабочие режимы, превосходящие возможности каждой технологии по отдельности.

Манотермосоникация (давление + температура + ультразвук)

Манотермосоникация позволяет отдельно оптимизировать кавитацию и кинетику. Температуру можно выбирать исходя из эффективности реакции или необходимости регулировать вязкость, в то время как давление стабилизирует кавитацию и усиливает схлопывание пузырьков. Это сочетание подходит для ультразвуковой экстракции, ультразвукового диспергирования, ультразвукового эмульгирования, переработки биомассы и обработки пищевых продуктов, где требуется высокая степень уничтожения микроорганизмов без экстремального нагрева всего объёма среды.

Термоэлектросоникация (температура + электрохимия + ультразвук)

Термоэлектросоникация предназначена для электрохимических процессов, ограниченных переносом. Температура повышает подвижность ионов и снижает вязкость, а ультразвуковая кавитация устраняет диффузионные ограничения и экранирование газовыми пузырьками. В результате она повышает выход по току, снижает перенапряжения и стабилизирует характеристики электродов при электрополировании, нанесении гальванических покрытий, электросинтезе и процессах глубокого окисления.

Маноэлектросоникация (давление + электрохимия + ультразвук)

Маноэлектросоникация подходит для электрохимических систем с выделением газа и электродных процессов, чувствительных к кавитации. Давление влияет на поведение пузырьков на поверхностях электродов, а ультразвук обеспечивает непрерывное удаление газа и очистку поверхности. Поэтому она позволяет достигать более высоких плотностей тока и повышенной стабильности в сложных условиях.

Манотермоэлектросоникация (давление + температура + электрохимия + ультразвук)

Гибридная ультразвуковая обработка с полным сочетанием воздействий объединяет все три фактора с ультразвуковой кавитацией для максимальной гибкости процесса. Она подходит для передового производства и переработки химических веществ высокой ценности, где эффективность зависит от интенсивности кавитации, температурной кинетики и электрохимических процессов на границе раздела фаз. Несмотря на большую сложность, при полной оптимизации эти системы могут обеспечивать наивысшую эффективность.

Эта гибридная ультразвуковая установка сочетает мано-, термо- и электросоникацию

Гибридная ультразвуковая установка для совместной мано-, термо- и электросоникации

Периодическая и проточная гибридная ультразвуковая обработка

Конфигурация реактора существенно влияет на воспроизводимость, масштабируемость и эксплуатационные затраты.
Периодическая гибридная ультразвуковая обработка подходит для разработки процессов, специализированного производства и выпуска нескольких видов продукции. Проточная гибридная ультразвуковая обработка подходит для непрерывного промышленного производства, поскольку обеспечивает постоянное время пребывания, стабильную плотность энергии и регулирование давления и температуры с обратной связью. Кроме того, проточная обработка предсказуемо масштабируется за счёт увеличения числа ультразвуковых проточных ячеек и модульной интеграции ультразвуковых силовых платформ Hielscher в существующую инфраструктуру предприятия.

Основные области применения гибридной ультразвуковой обработки

Гибридная ультразвуковая обработка подходит для областей применения, в которых традиционные методы перемешивания, нагрева или электрохимической обработки слишком медленны, слишком энергоёмки или слишком сложны в управлении. Типичные группы применений включают ультразвуковую экстракцию соединений высокой ценности, ультразвуковое эмульгирование и диспергирование, обработку наночастиц, ультразвуковое разрушение клеток, интенсифицированный химический синтез, электрохимическую модификацию поверхностей, очистку сточных вод и высокотемпературную обработку материалов.
Потребности промышленности неизменны: более быстрая обработка, более высокий выход, улучшенная селективность и масштабируемые системы, интегрированные в автоматизированное производство. Мано-, термо- и электросоникация отвечают этим требованиям, регулируя динамику кавитации, механизмы переноса и пути реакций вместо того, чтобы полагаться только на время, нагрев или избыток химических веществ.

Чем мы можем Вам помочь?

Мы будем рады обсудить Ваши требования к процессу или особенности применения.







Соноэлектрохимия – влияние ультразвука на периодический электролизВ видео показано положительное влияние непосредственной ультразвуковой обработки электрода на электрический ток. Используется ультразвуковой гомогенизатор Hielscher UP100H (100 ватт, 30kHz) с модулем для электрохимии и титановым электродом-сонотродом. При электролизе разбавленной серной кислоты образуются газообразные водород и кислород. Ультразвуковая обработка уменьшает толщину диффузионного слоя на поверхности электрода и улучшает массоперенос при электролизе. Она позволяет значительно повысить скорость образования газообразного водорода в электролитической ячейке.
В видео показано положительное влияние непосредственной ультразвуковой обработки электрода на электрический ток. Используется ультразвуковой гомогенизатор Hielscher UP100H (100 ватт, 30kHz) с модулем для электрохимии и титановым электродом-сонотродом. При электролизе разбавленной серной кислоты образуются газообразные водород и кислород. Ультразвуковая обработка уменьшает толщину диффузионного слоя на поверхности электрода и улучшает массоперенос при электролизе. Она позволяет значительно повысить скорость образования газообразного водорода в электролитической ячейке.

Будем рады обсудить ваш процесс.

✕